Généralités

Une éolienne est une machine qui convertit l'énergie du vent en énergie mécanique. Pour être plus clair, on considère qu'il y a du vent quand l'air se déplace et donc quand l'air possède une certaine vitesse. A cette vitesse est associée une énergie, l'énergie cinétique. Le vent exerce une force sur le rotor de l'éolienne et le met en rotation : il exerce une certaine puissance. A proprement parler, cette force est transmise à un axe qui correspond à une certaine puissance. En langage d'ingénieur, nous sommes en présence d'une machine motrice.

Cette énergie mécanique peut être utilisée directement. Par exemple, on pense à l'actionnement d'une pompe à des endroits non desservis par le réseau électrique ou à nos anciens moulins à vent. Néanmoins, ces applications mécaniques sont assez marginales. Dans la majorité des cas, l'énergie mécanique du rotor de l'éolienne est transformée en énergie électrique via une génératrice. En tout cas, comme l'énergie mécanique est de "qualité" élevée, il est regrettable de la transformer en chaleur, par exemple en utilisant l'énergie éolienne pour se chauffer.

Classification

On peut classifier les éoliennes suivant leur taille ou suivant leur principe de fonctionnement.

Classification selon la taille
On définit différentes classes de taille d'éoliennes. En théorie, il n'y a pas de relation directe entre la hauteur et la puissance de l'éolienne. En effet, cette puissance dépend essentiellement de la surface balayée par le rotor qui n'est pas toujours fonction de la hauteur de l'éolienne, mais du diamètre du rotor. Néanmoins, dans le cas des grandes éoliennes, une règle de bonne pratique veut que la hauteur du mât, L, soit égale au diamètre du rotor, D. Dans ce cas, il y a un lien indirect entre la hauteur du mât et la puissance. Dans le tableau suivant sont repris les dénominations de taille et les ordres de grandeur de puissances associées. Attention, il s'agit bien d'ordres de grandeur de puissance. Le but est uniquement de se donner une idée. En outre, cette puissance n'a de sens que si on a défini la vitesse de vent à laquelle elle est délivrée.

Dénomination

Diamètre du rotor [m]

Aire balayée [m²]

Puissance [kW]

Micro

0.5-1.25

0.2-1.2

0.25

Mini

1.25-3

1.2-7.1

1.5

Domestique

3-10

7-79

15

Petite commerciale

10-20

79-314

100

Moyenne commerciale

20-50

314-1963

1000

Grande commerciale

50-100

1963-7854

3000

Classification des éoliennes suivant la taille et ordre de grandeur associé.

Pour être plus parlant, on trouve classiquement ces éoliennes pour les applications suivantes :

Micro-éoliennes : en général pour couvrir des besoins très limités et sites isolés (par exemple, des sites de pèche, des bateaux, des caravanes).

Mini-éoliennes : essentiellement pour recharger des batteries sur des sites isolés du réseau, les plus puissantes peuvent servir pour l'alimentation domestique hors du réseau (maisons isolées).

Eoliennes domestiques : elles balayent un spectre assez large allant de rotors de 3 à 10 m de diamètre. C'est typiquement le genre d'éoliennes proposées pour les particuliers.

Eoliennes petites commerciales : elles sont typiquement conçues pour les petites entreprises, les fermes, ... mais il existe très peu de modèles produits dans cette gamme.

Eoliennes moyennes commerciales : elles sont typiquement utilisées pour les applications commerciales dans des fermes, des usines, des entreprises voire des petits parcs éoliens.

Eoliennes grands commerciales : ce sont les éoliennes que l'on trouve dans les parcs éoliens modernes, ce sont aussi les plus efficaces.

Classification selon le principe de fonctionnement
Eoliennes à axe horizontal ou vertical

Les plus connues sont les éoliennes à axe horizontal (HAWT, horizontal axis wind turbine).  Leur typologie est souvent identique. A la base, on a un mât sur lequel est placée la nacelle. Cette nacelle contient la génératrice ainsi que le système de transmission, c'est-à-dire les éléments d'accouplement mécanique entre le rotor et la génératrice. Celle-ci convertit l'énergie mécanique en énergie électrique.

En suivant le sens de parcours du vent, le rotor peut être placé en amont ou en aval de la nacelle. Cette dernière configuration a été à la mode, mais devient anecdotique. Elle présentait l'avantage que la nacelle et le rotor se mettent automatiquement face au vent. Lorsque le rotor se situe en amont, il faut un dispositif particulier pour que l'éolienne se positionne correctement. Par exemple, on peut trouver une aile fixe vertical qui stabilise l'éolienne face au vent (même principe que la gouverne verticale d'un avion) ou un moteur qui réalise cette tâche. On parlera alors d'un dispositif de positionnement passif ou actif, respectivement.

Distinction entre éoliennes à axe horizontal avec le rotor placé en amont avec gouverne (figure gauche), en amont avec contrôle actif (figure centrale) et en aval (figure de droite).

L'avantage du rotor placé en aval est qu'il se positionne naturellement face au vent, c'est-à-dire de manière passive. Par contre, le vent est d'abord perturbé par la nacelle et le pylône avant d'agir sur le rotor. D'une part, le régime de vent devient non uniforme sur la surface balayée par le rotor. Cela engendre des contraintes mécaniques variables dans le temps ce qui provoque une usure prématurée du matériel (phénomène de fatigue mécanique). D'autre part, le vent perturbé vient impacter les ailettes de l'éolienne ce qui a tendance à générer beaucoup de bruit (bruit d'origine aérodynamique). Pour ces deux raisons, on préfère la configuration avec le rotor en amont. En effet, le vent est moins perturbé avant de rencontrer les pales de l'éolienne (à moins qu'un obstacle se trouve en amont, mais ce n'est idéalement pas le cas). Finalement, on peut dire que l'éolienne à axe horizontal avec le rotor en amont est devenue le standard, en tout cas pour les applications de puissance élevée.

On rencontre aussi des éoliennes à axe vertical (VAWT, vertical axis wind turbine) pour les applications de petite voire de moyennes puissances. Les avantages de cette configuration sont que l'éolienne est toujours bien positionnée par rapport au vent, que le dispositif d'accouplement ainsi que la génératrice se trouvent au niveau du sol ce qui facilite la maintenance. En outre, de par les diamètres de rotor inférieurs aux éoliennes à axe horizontal, les vitesses absolues sont plus faibles ce qui, du moins théoriquement, devrait engendrer moins de bruit.

Classiquement, on distingue deux grandes familles parmi les éoliennes à axe vertical. D'une part, on trouve les éoliennes basées sur la "portance" dont la plus connue est le modèle de "Darrieus" et, d'autre part, les éoliennes basées sur la "trainée" dont la plus connue est le modèle de "Savonius". On invite le lecteur qui veut approfondir ces concepts à consulter des sites spécialisés. Retenons néanmoins que par le principe physique de ces modèles, elles donnent peu de couple au démarrage. Par conséquent, elles ne démarrent qu'à une certaine vitesse de vent, ou il faut assurer mécaniquement le démarrage de l'éolienne pour qu'elle fonctionne.

Illustration des deux grands types d'éoliennes à axe vertical : les éoliennes de type Savonius en haut, basées sur la trainée, et les éoliennes de type Darrieus en bas, basées sur la portance. Les figures du haut montrent une coupe horizontale du rotor vue selon un axe vertical. Les figures du bas montrent une coupe horizontale du rotor d'éoliennes Darrieus. Le rotor peut avoir une forme en "phi", en "delta", en "H", etc.

Exemple d'éolienne Darrieus (à gauche) et Savonius (à droite).

Dans l'histoire des éoliennes, on trouve de manière cyclique un regain d'intérêt pour les éoliennes à axe vertical. Les nouveaux concepts proposés sont sensés dépasser les limites technologiques du standard actuel qui est l'éolienne à axe horizontal avec rotor en amont. Pour répondre de manière nuancée, voici quelques éléments de réflexion pour situer le débat sur ces VAWT :

En ce qui concerne les nouvelles éoliennes à axe vertical, il s'agit souvent de la redécouverte de vieux concepts.

De manière générale, on manque de retour d'expérience sur le comportement des nouvelles éoliennes à axe vertical, notamment en ce qui concerne leurs performances aussi bien techniques que d'un point de vue économique.

Beaucoup d'experts qui ont accumulé une longue expérience dans l'éolien sont sceptiques.

Beaucoup d'effets d'annonce sur les performances de ces nouveaux concepts sans pour autant les valider.
Pour résumer la situation, nous reprenons le point de vue nuancé de Paul Gipe : "Avec des éoliennes à axe vertical, on peut dans certain cas réaliser les mêmes performances technico-économiques qu'avec des éoliennes à axe horizontal, mais plus que probablement pas mieux".

Propriétés des éoliennes à axe vertical par aux modèles standards

Avantages

Inconvénients

Simplicité.

Parfois oui, on peut arriver à un concept plus simple

Parfois non, on n'aboutit pas systématiquement à plus de simplicité

Meilleure fiabilité.

Peu probable, mais peu de retour d'expérience.

Positionnement.

Toujours bien placé par rapport au vent.

Entretien.

Equipement au niveau du sol.

Prix.

Moins cher, mais le rendement est-il égal ?

Rendement mécanique (transformation énergie du vent).

Peu de retour d'expérience.

Rendement économique.

Peu de retour d'expérience.

Émission de bruit.

Théoriquement moins bruyantes parce que les vitesses sont plus faibles.

Tableau récapitulatif des propriétés des éoliennes à axe vertical par rapport aux modèles conventionnels d'éoliennes.

Distinction selon le nombre de pales

On peut faire une distinction entre les éoliennes suivant le nombre de pales.

Dans le cas des éoliennes à axe horizontal, la plupart des éoliennes ont 3 pales. En fait, il s'agit du meilleur compromis entre différentes contraintes. Une éolienne à 3 pales (ou plus) tourne plus régulièrement qu'une éolienne à 1 ou 2 pales, on a un meilleur équilibre du rotor. D'un point de vue esthétique, les effets de battement visuel sont plus importants pour les éoliennes à moins de 3 pales. Le rendement aérodynamique, c'est-à-dire la capacité à convertir l'énergie du vent en énergie mécanique (et donc, in fine, en électricité), est équivalent de 2 à 4 pales. Il augmente sensiblement à partir de 5. Le seul avantage d'avoir une éolienne à deux pales plutôt qu'à trois est qu'elle sera meilleur marché, mais elle tournera de manière moins régulière ce qui est synonyme de durée de vie plus courte. On ne monte pas au-delà de 4 pales à cause de la diminution de la tenue mécanique : en effet, la "corde" des pales diminue avec le nombre de pales.

Nombre de pâles

1

2

3

4

5

Equilibre du rotor

-

-

+

+

+

Esthétique (effet de battement visuel)

-

-

+

+

+

Rendement aérodynamique

-

=

=

=

+

Bruit et fatigue

-

-

+

+

+

Tenue mécanique

+

=

=

-

-

Tableau récapitulatif des propriétés des éoliennes à axe horizontal en fonction du nombre de pales.

Pour conclure cette rubrique, on peut mettre en garde contre certaines conclusions intuitives qui peuvent induire en erreur. Dans le cas des éoliennes à axe vertical, il existe des modèles avec un grand nombre d'ailettes donnant à l'ensemble un aspect très compact. Cette forte densité n'est pas nécessairement synonyme de meilleures performances (aérodynamiques). Comme il sera montré par la suite, la puissance dépend essentiellement de la surface balayée par le rotor. Or, cette surface ne varie pas en augmentant le nombre de pales. Tout au plus, on balaye cette surface de manière plus efficace. Néanmoins, on peut aussi alourdir inutilement la structure ce qui grève les performances.

Distinction selon la protection contre les vents importants

C'est un aspect fondamental. En effet, en présence de vents importants ou de rafales, il s'agit d'éviter les contraintes mécaniques trop importantes et les vitesses de rotation excessives, c'est-à-dire d'éviter la casse, d'assurer l'intégrité du matériel.

On distingue d'une part les stratégies de contrôle par l'aérodynamique. On joue sur l'orientation des ailes pour modifier leurs propriétés aérodynamiques et donc réduire la force exercée par le vent.

Soit on réduit l'angle d'attaque des pales qui présentent alors un rendement plus faible. On peut aller jusqu'à mettre les pales face au vent où elles seront soumises à une force nulle.
Soit on augmente l'angle d'attaque jusqu'au décrochage du profil ("stall control" en anglais).
Une autre manière de procéder est de placer directement un frein aérodynamique sur l'aile (mais cela est physiquement équivalent à chercher le décrochage).

Ces modifications des propriétés aérodynamiques peuvent être réalisées sur l'entièreté de l'aile ou sur seulement une fraction de celle-ci, par exemple sur le bout d'aile.

À noter que l'on peut jouer sur l'orientation de l'éolienne à axe horizontal. Dans ce cas de figure, il s'agit de réduire la surface présentée au vent par le rotor de l'éolienne en la décalant par rapport à la direction du vent. Comme cette surface est réduite, la puissance du vent est directement réduite. Typiquement, on décale l'éolienne à gauche ou à droite suivant son axe vertical, soit on place l'éolienne en "hélicoptère" en tirant le rotor vers l'arrière.

D'autre part, on trouve le freinage dynamique ou électrique. Dans ce cas, c'est un frein mécanique qui limite la vitesse de rotation. Cette fonction peut être réalisée par le génératrice électrique.

Le freinage aérodynamique est une stratégie dont on ne peut se passer pour les grandes éoliennes. On peut se limiter au freinage dynamique que pour les éoliennes de faible puissance.

Distinction selon le mode de régulation de la vitesse du rotor : vitesse constante ou variable

Le rendement aérodynamique instantané, ou coefficient de performance, d'une éolienne dépend du rapport entre la vitesse en bout de pâles et la vitesse du vent (évaluée bien en amont de l'éolienne) :

Lambda = tip speed ratio (TSR) = u/V,

avec,

u, la vitesse en bout de pale induite par la vitesse de rotation du rotor,
et V, la vitesse en amont de l'éolienne.
Pour optimiser la conversion de la puissance du vent en puissance mécanique appliquée au rotor, il faut que se rapport Lambda ne soit ni trop faible, ni trop élevé.  Si la vitesse du vent change, la vitesse de rotation de l'éolienne devrait idéalement pouvoir s'adapter pour maintenir le TSR constant et donc toujours travailler avec les meilleurs rendements. Par conséquent, on distingue les éoliennes à vitesse de rotation constante des éoliennes à vitesse de rotation variable. Ces dernières permettent de suivre le régime de vent et d'obtenir de meilleurs rendements en adaptant la vitesse de rotation de l'éolienne.

Il existe une deuxième raison qui justifie de travailler avec une éolienne à vitesse de rotation variable. De part nature, la vitesse du vent est fluctuante. Si l'éolienne a une vitesse de rotation constante alors ces fluctuations de vitesse se traduisent par des fluctuations du couple mécanique exercé sur l'arbre. Nous sommes alors en présence de contraintes mécaniques fluctuantes qui peuvent accélérer l'usure de la transmission entre le rotor et la génératrice. Travailler avec un rotor à vitesse variable permet d'absorber les fluctuations de vitesse par une accélération de la vitesse du rotor.

Une éolienne à vitesse de rotation variable suppose d'avoir systématiquement recours à de l'électronique de puissance. Fort heureusement, cette technique a évolué très positivement ces dernières années ce qui permet de conserver un bon rendement  et un prix acceptable. Par conséquent, le choix d'une éolienne à vitesse de rotation variable est tout à fait abordable et cohérent. Néanmoins, il faut savoir qu'une éolienne à vitesse de rotation constante reste, théoriquement du moins, plus simple.

Positionnement et intégration

Placer une éolienne est une question de compromis. Par exemple, si l'éolienne est placée près de bâtiments, elle pourra subir leur interférence dans la mesure où ces bâtiments influencent globalement la trajectoire de l'air. Par contre, placer une éolienne loin d'un bâtiment pose la question de la ligne de transmission qu'il faudra tirer entre l'éolienne et le poste électrique compatible le plus proche.

Illustration de la structure de l'écoulement d'air autour d'un bâtiment et des zones d'influences.

La figure ci-dessus donne une idée de l'influence d'un bâtiment sur l'écoulement. On voit que le vent est perturbé par la présence du bâtiment avant que ce vent arrive à son niveau, c'est-à-dire en amont. Si l'obstacle placé sur un terrain plat a une hauteur "H", on considère que l'écoulement est influencé en amont à partir d'une longueur de l'ordre de "2H". En aval, le bâtiment influence significativement l'écoulement jusqu'à une longueur de l'ordre de "20H". C'est donc loin d'être négligeable. Il est important de comprendre que dans ces zones d'influence, l'écoulement est fortement perturbé, c'est-à-dire que l'air subit de fortes fluctuations de vitesse qui sont loin d'être négligeables devant la vitesse du vent en amont. En d'autres termes, il ne s'agit pas de faibles fluctuations qui se superposent au vent initial, comme un "bruit blanc". Au contraire, le vent subit de fortes fluctuations de vitesse dans toutes les directions de l'espace. En outre, la vitesse moyenne de l'écoulement est réduite, à certains endroits parfois annulée voire même inversée.

La situation peut être particulièrement complexe dans un milieu urbain où le vent est perturbé par un ensemble de bâtiments. Comme les figures ci-dessous l'illustrent bien, il existe de grandes zones où la vitesse moyenne du vent est réduite. Le comportement du vent n'est pas aléatoire, il obéit à des lois physiques bien précises. Il n'en reste pas moins que son évolution en passant près de bâtiments est loin d'être intuitive. En effet, il est difficile de prédire les caractéristiques de tels types d'écoulement. Par exemple, les résultats ci-dessous ont été obtenus au moyen de simulations numériques complexes.

Norme de la vitesse dans un plan horizontal à 1.5  m du sol (1ere figure), à 4 m du sol (2ème figure) et dans un plan vertical (3ème figure), autour d'un quartier composé d'immeubles. Cette dernière figure illustre bien l'évolution de la vitesse avec la hauteur. Résultats obtenus au moyen de simulations numériques réalisées par Tatiana de Meester de Betzenbroeck (Architecture et Climat, UCL).

Eoliennes montées sur le toit : éviter les zones d'écoulement turbulent

Exemples d'éoliennes placées sur le toit d'un bâtiment. En premier lieu, le bâtiment Éole à Gosselies (Igretec) qui intègre deux éoliennes à axe vertical dans un immeuble de bureau. Dans ce cas-ci, on voit que les éoliennes font partie intégrante du concept architectural du bâtiment (un peu comme son nom l'indique).  En second lieu, un bâtiment avec une série d'éoliennes à axe horizontal placées sur un mât.

Dans certains cas, on souhaiterait mettre une éolienne sur le toit d'un bâtiment. Cela peut constituer une opportunité dans les zones urbaines où les zones dégagées, c'est-à-dire sans obstacles, sont peu ou pas existantes. L'idée est aussi de ne pas devoir investir dans un mât pour hisser le rotor à une certaine hauteur. Mis à part ces avantages, il reste de sérieux inconvénients à travailler avec une éolienne placée sur un bâtiment :

Comme la figure ci-dessus sur la zone de perturbation d'un bâtiment l'illustre bien, l'écoulement est aussi perturbé au-dessus du toit. Il est moins perturbé sur le bord amont du toit, mais on voit que cette zone grandit en progressant en aval. Si le rotor de l'éolienne est situé dans cette zone d'influence,  il rencontrera un vent de vitesse moyenne plus faible et il subira de fortes fluctuations de vitesse. Par conséquent, le rendement sera plus faible et les forces auxquelles l'éolienne sera soumise seront très fluctuantes. Ces charges dynamiques sur la structure et les équipements de l'éolienne peuvent accélérer son usure. Pour conclure, on peut atténuer cet effet en conseillant d'installer l'éolienne près du bord du toit dans la direction des vents dominants.

Les vibrations de l'éolienne, en plus d'être potentiellement plus importantes sur un toit, sont transmises à la structure du bâtiment. Il faut voir si le bâtiment peut supporter cela et voir dans quelle mesure ces vibrations peuvent être absorbée par un dispositif ad hoc.

Les villes étaient généralement bâties dans des sites abrités du vent.
Assurer la viabilité de la structure en cas de tempête devient encore plus critique concernant la sécurité. En effet, que se passe-t-il si l'éolienne est arrachée ou tombe sur une façade, une personne ? On ne peut se permettre que l'éolienne puisse perdre des éléments par grand vent.

Tous ces éléments font que l'intérêt d'installer des éoliennes sur le toit de bâtiments est loin d'être évident. On mentionne souvent que les éoliennes à axe vertical sont bien conditionnées pour fonctionner sur un toit dans la mesure où elles sont toujours bien orientées par rapport à la direction du vent.

C'est déjà un bon point, mais il n'en reste pas moins que tous les désavantages cités ci-dessus restent d'application. En effet, quand on dit que le vent est perturbé, il ne s'agit pas simplement de dire qu'il change de direction par rapport à la vitesse non perturbée en amont du bâtiment. Non, le vent est aussi sujet à de fortes fluctuations d'amplitude et la direction locale du vent fluctue aussi rapidement dans le temps.

Les forces aérodynamiques sur l'éolienne restent donc relativement instationnaires (c'est-à-dire, variables), même si l'éolienne est à axe vertical. Au minimum, il faut s'assurer que le constructeur à mis en œuvre des techniques spécifiques pour gérer cela.

Éoliennes intégrées au bâtiment

Exemples d'éoliennes intégrées au bâtiment : le bâtiment Strata en fin de construction à Londres (figures de gauche et centrale ) et le World Trade Centre de Barhain (figure de droite).

Plus délicate encore est l'intégration de l'éolienne au sein même du bâtiment. En d'autres termes, l'éolienne devient partie intégrante du concept architectural, de l'image véhiculée par le bâtiment. Effectivement, cette démarche donne une image, un style technologique et écologique au bâtiment. Par contre, mis à part ses qualités de vitrine de marque, on peut se poser de sérieuses questions sur l'intérêt d'intégrer des éoliennes directement au bâtiment. Il reste notamment la question de l'absorption des vibrations des éoliennes par le bâtiment. Si elles sont petites, cela ne pose pas de gros problèmes, mais, d'un autre côté, si elles sont petites, elles ne produiront alors qu'une infime fraction de la consommation du bâtiment. Si les éoliennes sont de tailles plus importantes, elles peuvent fortement perturber la structure du bâtiment.

On peut jouer sur la forme du bâtiment pour obtenir un effet d'accélération au niveau de l'éolienne (effet Venturi). Néanmoins, on ne peut pas déplacer le bâtiment en fonction de l'orientation du vent. En conclusion, l'intérêt ne semble pas évident.

Les éoliennes carénées

Certaines éoliennes sont munies d'éléments externes au rotor dont l'objectif est de concentrer le vent sur le celui-ci. On pense principalement aux éoliennes carénées où un conduit convergeant ou divergeant enveloppe le rotor de l'éolienne. Les design peuvent être des plus variés, voire des plus futuristes :

Certains de ces modèles présentent des puissances supérieures aux éoliennes traditionnelles non carénées. Il ne faut pas y voir pour autant un effet révolutionnaire. L'explication est relativement simple. Lorsque l'on définit la puissance instantanée du vent, il faut être vigilant à la définition de la surface rencontrée par l'éolienne que l'on utilise. Dans le cas d'une éolienne classique, il s'agit de la surface balayée par le rotor. Par contre, dans le cas de modèles carénés, il faut tenir compte de ces éléments supplémentaires extérieurs. Typiquement, il faut prendre la surface frontale de l'éolienne, carénage inclus. En gros, celui-ci augmente la puissance instantanée du vent en augmentant la surface exposée au vent. Les puissances plus élevées obtenues par ces éoliennes ne sont donc pas dues à un meilleur rendement, mais à une augmentation de la puissance du vent rencontrée, c'est-à-dire la source d'énergie.

Le carénage est-il pertinent?
La méthode n'est pas mauvaise, mais il faut savoir que c'est tout aussi simple d'augmenter la surface du rotor d'une éolienne classique pour qu'il soit équivalent à la surface au vent de l'éolienne carénée. En effet, dans le cas d'une éolienne carénée, ajouter cet élément externe a un certain coût. En outre, il faut pouvoir le maintenir par une structure et l'orienter correctement par rapport au vent. En ce qui nous concerne, nous pensons qu'il est plus simple d'augmenter la taille du rotor d'une éolienne traditionnelle.